Юный техник, 2001 № 01
Шрифт:
Причем самому разряду опять-таки способствуют космические лучи, ионизируя молекулы воздуха ниже облака, подготавливая ионизированные каналы. Таких молниевых каналов образуется великое множество, они пересекают друг друга. Поэтому молния, переходя из канала в канал, движется такими странными зигзагами, а не по прямой.
Однако этой гипотезе Фоллина, по-моему, присущ один недостаток. Космическое излучение поступает в атмосферу Земли практически постоянно, а вот грозы бывают не каждый день. Стало быть, тут есть еще какие-то причины.
Интересную гипотезу на этот счет некогда выдвинул один из старейших наших метеорологов И.Е.Воробьев, долгое время работавший на высокогорных метеостанциях. Однажды
А что, если такой «серпантин» — довольно обычное явление в грозовом облаке? Из электростатики известно: на острие того или иного предмета напряженность магнитного поля увеличивается. Заряды стекаются на концы нитей, и, когда они соприкасаются между собой, величина суммарного заряда быстро возрастает. Такое увеличение в конце концов и приводит к пробою — молнии.
ДАВАЙТЕ РАЗБЕРЕМСЯ
Конденсатор по имени Земля
За сто лет человек научился защищаться от молнии. Вот бы еще теперь ее приручить! Эта мысль многим приходит в голову. Однако, как говорится, «стоит ли овчинка выделки»? Чтобы разобраться в энергетике молнии, достаточно обычного курса школьной физики.
На уроках вы знакомились с электрическими конденсаторами и определением их емкости (см. рис. 1).
Для шарового (рис. 1а) она определяется из формулы:
Когда изолятором служит вакуум или воздух, то величина диэлектрической постоянной е = 0,88·10– 13 Фарад/см.
Если неограниченно увеличивать внешний радиус нашего конденсатора R2, то он превратится в изолированный шар с емкостью:
Вычислим емкость нашей планеты, радиус которой, как известно, составляет около 6400 км, или 64 00х103х102 см:
Сз.ш.= 4peR1 = 4x3,14x0,88·10– 13x6400·103x102h 700mF.
Как видим, емкость земного шара при чистом небе и космосе совсем не велика, в запасах любого радиолюбителя наверняка найдется электролитический конденсатор в 1000 и даже 5000 микрофарад.
Однако бывают и тучи. Пусть на высоте в 5 км грозовыми облаками покрыт квадрат 10х10 км. В этом случае можно не учитывать кривизну Земли и использовать при определении емкости между почвой и облаком формулы плоского конденсатора (см. рис. 1б).
т. е. 0,17
Какую же энергию можно в нем запасти, если зарядить его грозовым напряжением, скажем, в 10 MB?
W = C·U2/2 = 0,17·10– 6х10·106х10·106 = 0,17·108 Дж = 24 кВт·ч.
Это даже меньше нормального месячного квартирного расхода.
Как видим, запасов небесной электроэнергии не так уж и много, а вот шума и блеска от молнии достаточно. Она за прошедшие двести лет, после работ М.В.Ломоносова, досконально изучена и исследована. Без этого было бы невозможно использовать высоковольтные воздушные ЛЭП, открытые распределительные подстанции, антенны, многие виды связи, высотные здания, воздушный транспорт, ракеты…
Происхождение гроз — следствие электризации. В атмосфере, насыщенной водяными парами, под действием мощных восходящих воздушных потоков происходит разбрызгивание водяных капель. Образующаяся при этом мельчайшая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно, а оставшиеся тяжелые капельки — положительно.
Ветер разносит отрицательно заряженную водяную пыль на значительные расстояния, образуя основной массив грозового облака. Таким образом началом грозового явления служит механическое разделение зарядов противоположного знака и сосредоточение в различных частях облака значительных объемов униполярных зарядов. Такое облако, заряженное с нижней стороны в основном отрицательно, и образует рассмотренный конденсатор, другой обкладкой которого является земля, где на поверхности индуктируются положительные заряды. Средняя напряженность такого конденсатора обычно не превышает 10 кВ на метр.
Разряд между облаком и землей начинается с прорастания от облака к земле слабо светящегося канала — ступенчатого лидера, движущегося толчкообразно со средней скоростью около 100 км/с. Когда он достигнет земли, начинается фаза главного разряда — собственно молнии. Амплитуда импульса тока молнии достигает десятков и даже сотен килоампер, однако длительность его невелика — тысячные и реже сотые доли секунды. Суммарный заряд, переносимый молнией, лежит в пределах 20 — 100 кулон. В расчетах исходной величиной является не напряжение — разве к облаку подключишь вольтметр? — а ток молнии, ибо он может быть измерен специальными регистраторами. Методика таких расчетов давно и хорошо отработана. Проектирование грозозащиты — заурядная операция, простейшая тема курсовых заданий студентам.
Тем не менее, в печати, особенно «желтой», появляются описания этого явления, не соответствующие действительности. Например, сообщается: по конструкции громоотвод проще простого — железная палка на крыше жилого дома!
Это совершенно неверно. Таким советом воспользуется лишь тот, кто желает спалить свое жилище и убить его обитателей. В действительности, главной частью молниеотвода (правильное название) является заземляющее устройство, соединяющее «палку» с почвой. Оно выполняется по определенным правилам, систематически проверяется и обслуживается. Интересно отметить, что американец Франклин предполагал, что «громоотвод» отводит электричество из воздуха, чем и предотвращает поражение строения. Защитная роль этих устройств впервые правильно оценена Ломоносовым, указавшим, что молниеотвод принимает на себя разряд молнии. Такое понятие вполне соответствует современной точке зрения.